Cellules solaires organiques : un secret caché dans les colorants ?

Le soleil envoie d’énormes quantités d’énergie vers la Terre, mais une partie de cette énergie est perdue dans les cellules solaires. Des chercheurs allemands ont découvert que certains colorants organiques pourraient aider à construire des autoroutes virtuelles pour l’énergie, améliorant ainsi les performances des cellules solaires organiques.

Les cellules solaires organiques sont légères, extrêmement minces et peuvent être appliquées sur presque toutes les surfaces. Elles offrent une grande variété d’applications, comme les panneaux solaires, les films enroulables ou l’utilisation sur des appareils intelligents. Le transport de l’énergie collectée à l’intérieur du matériau reste toutefois médiocre, constituant un obstacle majeur à leur utilisation.

Le rôle des excitons

Frank Ortmann, professeur de méthodes théoriques en spectroscopie à la TUM, et son équipe étudient les processus de transport élémentaires des cellules solaires organiques. Ils se concentrent principalement sur les excitons, qui sont des états excités créés lorsque l’énergie lumineuse sous forme de photons est absorbée par le matériau d’une cellule solaire.

Les excitons doivent atteindre une interface spécialement conçue pour être utilisés comme énergie électrique.

Les colorants organiques comme accélérateurs d’excitons

Les chercheurs ont montré que des autoroutes de transport d’excitons peuvent être créées à l’aide de colorants organiques, appelés mérocyamines quinoïdes.

Ces molécules ont une structure chimique particulière et une excellente capacité à absorber la lumière visible, ce qui les rend appropriées pour être utilisées comme couche active dans une cellule solaire organique.

Des paquets d’énergie sur la voie rapide

Grâce à des mesures spectroscopiques et des modèles, les chercheurs ont pu observer les excitons se déplacer rapidement à travers les molécules de colorant. La valeur de 1,33 électron-volt obtenue par leur conception est bien supérieure aux valeurs trouvées dans les semi-conducteurs organiques, ce qui suggère que les molécules de colorant organique forment une sorte de super-autoroute pour les excitons.

En synthèse

Ces découvertes fondamentales pourraient ouvrir la voie à un transport d’excitons plus efficace et ciblé dans les solides organiques, accélérant ainsi le développement de cellules solaires organiques et de diodes électroluminescentes organiques à plus haute performance.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un exciton ?

Un exciton est un état excité créé lorsque l’énergie lumineuse est absorbée par le matériau d’une cellule solaire. Il doit atteindre une interface spécialement conçue pour être utilisé comme énergie électrique.

Quel est le rôle des colorants organiques dans les cellules solaires ?

Les colorants organiques comme les mérocyamines quinoïdes, peuvent aider à créer des autoroutes de transport d’excitons, améliorant ainsi le transport de l’énergie collectée à l’intérieur du matériau des cellules solaires organiques.

Quels sont les avantages des cellules solaires organiques ?

Les cellules solaires organiques sont légères, extrêmement minces et peuvent être appliquées sur presque toutes les surfaces. Elles offrent une grande variété d’applications, comme les panneaux solaires, les films enroulables ou l’utilisation sur des appareils intelligents.

Quel est le principal défi des cellules solaires organiques ?

Le principal défi des cellules solaires organiques est le transport médiocre de l’énergie collectée à l’intérieur du matériau, ce qui limite leur efficacité et leur utilisation dans diverses applications.

Comment cette découverte pourrait améliorer les performances des cellules solaires ?

En créant des autoroutes de transport d’excitons à l’aide de colorants organiques, les chercheurs pourraient améliorer le transport de l’énergie collectée à l’intérieur du matériau, ce qui pourrait conduire au développement de cellules solaires organiques et de diodes électroluminescentes organiques à plus haute performance.

Légende illustration principale : Frank Ortmann (à droite) et Maximilian Dorfner discutent de la manière dont des molécules spécifiques peuvent accroître l’efficacité des cellules solaires organiques. Crédit TUM

Article : « Directed Exciton Transport Highways in Organic Semiconductors » ou « Voies de transport dirigées des excitons dans les semi-conducteurs organiques »
Kai Müller, Karl S. Schellhammer, Nico Gräßler, Bipasha Debnath, Fupin Liu, Yulia Krupskaya, Karl Leo, Martin Knupfer, Frank Ortmann | DOI: 10.1038/s41467-023-41044-9 | www.nature.com/articles/s41467-023-41044-9